處理氣體泄漏事故中的各類傳感器

寂靜天花板

隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。

這些氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中一旦發(fā)生泄漏，將會引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力和內(nèi)部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，擴(kuò)大危害區(qū)域。　
　
7 D$ U0 N) Y3 y% C  L- ^氣體傳感器概述
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國外從30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報(bào)警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體（H2,C4H10,CH4）等擴(kuò)展到毒性氣體（CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3）等。

! o7 f; @/ {  k( d. Z$ B氣體傳感器種類繁多。按所用氣敏材料及氣敏特性不同，可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式、高分子式等。

半導(dǎo)體氣體傳感器
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這種傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏材料。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。按照檢測氣敏特征量方式不同分為電阻式和非電阻式兩種。
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4 F* w% O2 Y  e( ]電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過檢測氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。例如：WO3氣體傳感器可檢測NH3的濃度范圍為5ppm～50ppm,ZnO-CuO氣體傳感器對200 ppm的CO非常敏感。
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非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體含量而變化的原理工作的。主要有MOS二極管式和結(jié)型二極管式，以及場效應(yīng)管式氣體傳感器。檢測氣體大多為氫氣、硅烷等可燃?xì)怏w。
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3 z$ Y* l' R; }) I. V5 i& C固體電解質(zhì)氣體傳感器
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! @) v1 M/ Q6 o/ E, P固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH+4CaCO3等。

8 w  ?) _1 D& B- B接觸燃燒式氣體傳感器

可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量電阻變化從而測量氣體濃度。這種傳感器只能測量可燃?xì)怏w，對不燃性氣體不敏感。例如，在Pt絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測，普遍應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測和報(bào)警。
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: }2 J6 d+ c" m9 E' G  q4 l- |氣體傳感器的發(fā)展方向
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目前，國內(nèi)外對新的氣敏材料和氣體傳感器的研究非常活躍，其主要研究和發(fā)展方向主要集中在以下幾點(diǎn)：

6 |0 M: c3 U, a9 x3 ?2 c首先，開發(fā)新的氣敏材料。主要措施是在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體氣敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中摻雜一些元素，目前有很多這方面的研究報(bào)道；其次是研制和開發(fā)復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料和高分子氣敏材料，使這些材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。
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0 P- H! z, K/ o! y- u4 p; G另外，開發(fā)新的氣體傳感器，應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù)，對氣體傳感器的機(jī)理做進(jìn)一步研究，使傳感器更加微型化和多功能化，并具有性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

同時，進(jìn)一步采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的智能化。氣體傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了智能氣體傳感器——電子鼻。國內(nèi)外已成功開發(fā)了鑒別和檢測食品、香料等的電子鼻。研制開發(fā)新型仿生氣體傳感器——仿生電子鼻是未來氣體傳感器發(fā)展的主要方向。

: n" x8 b1 p8 @8 V+ D- D用于可燃?xì)怏w監(jiān)測報(bào)警
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/ K8 ^. r& A: F目前，氣敏材料的發(fā)展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格便宜，并提高了傳感器的選擇性和敏感性。現(xiàn)有的燃?xì)鈭?bào)警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，并且因催化劑中毒而影響報(bào)警的準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體氣敏材料對氣體的敏感性與溫度有關(guān)。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達(dá)到峰值。由于這些氣敏材料在需要在較高溫度下（一般大于100℃）達(dá)到敏感度最好，這不僅要消耗額外的加熱功率，還會引發(fā)火災(zāi)。
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氣體傳感器的發(fā)展解決了這一問題。例如，氧化鐵系氣敏陶瓷所制的氣體傳感器，不需要添加貴金屬催化劑就可造成靈敏度高、穩(wěn)定性好、具有一定選擇性的氣體傳感器。降低半導(dǎo)體氣敏材料的工作溫度，大大提高它們在常溫下的靈敏度，使其能在常溫下工作。目前，除了常用的單一金屬氧化物陶瓷外，又開發(fā)了一些復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏陶瓷和混合金屬氧化物氣敏陶瓷。
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將氣體傳感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體的生產(chǎn)、儲運(yùn)、使用等場所中，及時檢測氣體含量，及早發(fā)現(xiàn)泄漏事故。并將氣體傳感器與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動，使保護(hù)系統(tǒng)在氣體到達(dá)爆炸極限前動作，將事故損失控制在最低。同時，氣體傳感器的小型化和價(jià)格的降低，使之進(jìn)入家庭成為可能。